Lucrarea nr. 1 IO SEMICONUCTORE I. Scopul lucrării II. Noţiuni teoretice III. esfăşurarea lucrării IV. Temă de casă V. Simulări VI. nexă 1
I. Scopul lucrării Scopul lucrării constă în ridicarea caracteristicilor şi determinarea principalilor parametri ai diodelor semiconductoare; studiul comportării diodei semiconductoare în circuitele elementare. II. Noţiuni teoretice 1. Joncţiunea pn reprezintă o structură fizică realizată într-un monocristal care are două regiuni vecine, una de tip p şi alta de tip n. Linia de demarcaţie dintre cele două regiuni se numeşte joncţiune metalurgică. Marea majoritate a dispozitivelor semiconductoare conţin una sau mai multe joncţiuni. Cel mai simplu dispozitiv electronic, realizat cu o singură joncţiune, este dioda semiconductoare. Observaţie: Nu trebuie făcută confuzia de echivalenţă între termenii joncţiune pn şi diodă semiconductoare, pentru că dioda semiconductoare poate fi realizată şi pe baza altor structuri fizice, cum ar fi contactul metal-semiconductor. În plus dioda semiconductoare reprezintă un ansamblu tehnic care cuprinde, pe lângă structura fizică care o defineşte, şi alte structuri cum ar fi contactele ohmice, sistemele de prindere şi de evacuare a căldurii (capsula), etc. 2. Caracteristica statică teoretică a unei diode semiconductoare reprezintă caracteristica curent-tensiune, dedusă prin analiza fenomenelor fizice dintr-o jonctiune pn ideală ce au loc atunci când din exterior la bornele ei, între anod şi catod, este aplicată o tensiune, numită şi tensiune de polarizare. ceastă caracteristică este aproximată de o lege de variaţie (numită şi ecuaţia Shockley pentru dioda semiconductoare), dată de: I qu γ kt = I ( e 1) 2, (1.1) unde: - I reprezintă curentul de saturaţie al diodei şi este dat de expresia: I qn 2 p n = i ( ) S, (1.2) L N L N p şi este dependent de parametrii fizici şi tehnologici ai joncţiunii pn ( suprafaţa joncţiunii S, concentraţia intrinsecă de purtători n i, coeficienţii de difuzie p, n, lungimile de difuzie L p, L n ale purtătorilor de sarcină, precum şi concentraţiile de impurităţi N, N ); - γ este un coeficient empiric (numit şi coeficient de emisie), cu valori cuprinse între 1 şi 2, cu valori mai apropiate de 1 pentru Ge, şi mai apropiate de 2 pentru Si, şi care rezultă din considerarea efectului de recombinare din zona de sarcină spatială la tensiuni de polarizare directe mici (efect cu importanţă la diodele cu Si la temperatura camerei). În funcţie de suprafaţa joncţiunii pn, la rândul ei, dependentă de curentul maxim pe care trebuie să-l accepte dioda în conducţie directă, curentul de saturaţie, I, are, la temperatura camerei, valori de ordinul de mărime, 1 1µ, pentru diodele cu Ge respectiv 1 1m pentru diodele din Si. La curenţi direcţi de ordinul 1 1µ (valori des întâlnite în practică) tensiunea directă pe diodă este de.2.3v pentru diodele din Ge respectiv.6-.8v pentru diodele din Si. n
3. Cele două mărimi, I şi γ, se determină prin reprezentarea ecuaţiei diodei semiconductoare la scară semilogaritmică (ca în fig 1.2 unde pe abscisă se reprezintă tensiunea aplicată pentru conducţie directă la scară liniară şi pe verticală curentul pe dioda la scara logaritmică). Panta dreptei astfel obţinute permite deducerea coeficientului γ, cu relaţia: q 1 u γ =. (1.3) kt 2.3 lgi Prin prelungirea aceleaşi drepte, la intersecţia cu axa ordonatei se obţine curentul de saturaţie I. i (m) 15 1 i (m) 1 1 lg i 5 1 u I.2.4.6 u (V) I.2.4.6 u (V) fig.1.1 fig.1.2 4. ependenţa de temperatura a caracteristicii statice a unei diode semiconductoare este foarte puternică, înregistrîndu-se o dublare a curentului de saturaţie la fiecare 1 C pentru diode din Ge respectiv la fiecare 6 C pentru diodele din Si. ceasta dependenţă poate fi pusă în evidenţa şi prin coeficientul de variaţie a tensiunii directe de pe diodă cu temperatura, la curent constant. Teoretic acest curent este de circa 2V/ C, pentru ambele tipuri de material utilizate curent pentru realizarea diodelor semiconductoare. 5. La polarizare inversă, conform ecuaţiei teoretice 1.1, curentul este constant şi egal cu I. ar pentru tensiuni inverse aplicate diodei, regiunea de sarcină spaţială se măreşte şi apare un curent de generare, dependent de tensiunea aplicată, cu valori relative importante pentru diodele din Si (în fig. 1.1 contribuţia acestui curent la caracteristica diodei a fost reprezentată punctat). La tensiuni de polarizare inversă mai mari, datorită fenomenului Zener, şi fenomenului de multiplicare în avalanşă (predominant de obicei), curentul invers creşte, valoarea lui fiind limitată numai de circuitul exterior. Tensiunile de străpugere, la care apare aceasta creştere a curentului, sunt dependente de natura materialului semiconductor din care este realizat dispozitivul, precum şi de concentraţiile de impurităţi, fiind cu atât mai mici cu cât concentraţiile de impurităţi sunt mai mari. Fenomenul Zener apare la joncţiunile din semiconductoare puternic dopate cu impurităţi, în cazul alimentării cu tensiuni inverse. Chiar dacă aceste tensiuni inverse sunt mici, în regiunea de trecere ia naştere un câmp electric foarte puternic. atorită acestui câmp, 3
asupra electronilor se exercită forţe foarte mari care tind să-i scoatădin atracţia nucleului, are loc ruperea legăturilor covalente, rezultînd electroni şi goluri disponibile pentru conducţie. Multiplicarea prin avalanşă apare la joncţiunile din semiconductoare cu concentraţie mică de impurităţi, deci regiune de trecere largă. Odată cu creşterea tensiunii inverse, deci a câmpului electric electronul câştigă energie astfel încât la o ciocnire cu un electron de valenţă acesta poate fi scos din legătură, generându-se o pereche electron-gol. Prin ciocnire electronul incident îşi reduce viteza, însă datorită tensiunii aplicate electronul şi particulele generate vor fi din nou accelerate. 6. La tensiuni directe mari caracteristica statică tinde să se liniarizeze, datorită căderilor de tensiune pe zonele neutre ale joncţiunii pn, care nu mai pot fi neglijabile. 7. În circuitele electronice, diodele semiconductoare pot îndeplini mai multe funcţiuni (redresare, detecţie, limitare, etc) în mai multe situaţii fiind necesară stabilirea unui regim static de funcţionare. Pentru circuitul elementar din fig. 1.3 punctul static de funcţionare se determină prin rezolvarea grafoanalitică a sistemului de ecuaţii format din ecuaţia caracteristicii statice a diodei (1.1) şi ecuaţia dreptei statice de funcţionare: u = E (1.4) Ri R i i fig. 1.4 E u E/R I M( U, I ) fig.1.3 U E u Punctul static de funcţionare M are coordonatele M( U, I ), iar în acest punct de funcţionare dioda este caracterizată din punct de vedere al semnalelor lent variabile (ce pot fi aplicate în serie cu tensiunea continuă E) printr-o rezistentă dinamică, pentru care se deduce relaţia: r kt = γ. (1.5) qi Rezistenţa dinamică r se determină experimental prin calculul pantei caracteristicii statice, în punctul static de funcţionare M conform relaţiei: r u i =. (1.6) M 4
8. iodele stabilizatoare de tensiune(impropriu dar frecvent denumite diode Zener) sunt caracterizate printr-o tensiune de străpungere bine definită (datorită efectului de multiplicare în avalanşă care determină o creştere foarte puternică a curentului invers în zona de străpungere), controlată prin concentraţiile de impurităţi, funcţionare normală a diodei fiind în această zonă. Fig 1.5, în care este reprezentată caracteristica statică, atât cea directă cât şi cea inversă, permite înţelegerea noţiunii de tensiune stabilizată, U Z, precum şi determinarea rezistenţei dinamice a diodei r z, conform relaţiei: I Z U Z M i I Z fig.1.5 u r z U I Z = (1.7). Z I Z = ct III. esfăşurarea lucrării 1. Identificarea montajului Se identifică montajul din fig 1.6. Grupul de componente format din tranzistoarele T 1, T 2, rezistenţele R 1, R 2, R 3, şi potenţiometrul P constituie o sursa de curent reglabilă. limentată în curent continuu între bornele 3 (5V) şi 2 (masă), sursa furnizează la borna 7 un curent reglabil între 5m, iar la borna 8 un curent de maximum 5m, ambele închizîndu-se spre borna comună de masă (borna 2). P R 2 R 3 R 3 T 1 9 4 5 6 1 R 1 T 2 1 2 3 R 2 7 8 1 fig.1.6 5
plicaţie simulată de laborator: --în fişierul deschis prin link-ul de mai jos să se realizeze schema din fig.1.6 şi se alimentează montajul la bornele corespunzătoare; tenţie: La sfârşitul laboratorului se va şterge conţinutul fişierului deschis prin link; Fisiere S\S-PRCTIC.EWB 2. Caracteristicile statice Se ridică caracteristicile statice la polarizarea directă pentru diodele 1 - EFR 136 (diodă redresoare din Ge) cu curenţi cuprinşi între.5 5 m (borna 4 reprezintă anodul), 2 - B 243 (diodă din Si, de uz general, de putere mică) cu curenţi în domeniul.1 5 m (borna 5 este anodul) şi 3 - BZX 85 C7V5 (diodă stabilizatoare de tensiune) cu curenţi în domeniul.1 2 m (anodul este borna 6). Ridicarea caracteristicilor directe se face cu montajul din fig. 1.7; curentul prin diodă se măsoară cu un miliampermetru, pe o scară corespunzatoare de curenţi, iar tensiunea la bornele diodei cu un voltmetru electronic (de preferinţa voltmetru numeric). Curentul se va regla la valori pentru care se poate face o reprezentare comodă la scară logaritmică adică multiplii şi submultiplii zecimali ai numerelor 1,2 şi 5 (ai căror logaritmi zecimali sunt, aproximativ,,.3 respectiv.7). m Pentru dioda EFR 136 se va folosi borna 8 a generatorului pentru curenţi mai mari de 5 m iar pentru celelalte cazuri se va folosi numai borna 7 a generatorului de curent. Rezultatele măsurătorilor se vor trece într-un tabel. I fig.1.7 VN plicaţie simulată de laborator: --în fişierul deschis de link-ul de mai jos, având salvată aplicaţia de la punctul 1, se realizează montajul din fig.1.7 pentru dioda 1. Se porneşte noua aplicaţie şi se extrag valorile corespunzătoare ale caracteristicii statice simulate. ; --se repetă simularea şi pentru celelalte două diode; --rezultatele obţinute prin simulare se trec în acelaşi tabel cu cele experimentale şi se compară cu acestea; Fisiere S\S-PRCTIC.EWB Cu ajutorul unei aplicaţii grafice din WOR, COREL sau EXCEL, sau manual pe hârtie milimetrică, şi folosind rezultatele experimentale şi simulate din tabelul de mai sus se vor reprezenta cele trei caracteristici la scară liniară, pe un acelaşi grafic, în domeniul de curenţi comun diodelor. În mod asemănător se trasează caracteristicile statice ale celor trei diode la scară semilogaritmică (ca în fig.1.2). 6
3. ependenţa de temperatură La curentul I = 5m se încălzeşte (cu mâna sau prin apropierea unui ciocan de lipit încălzit) dioda B 243 şi se constată, calitativ, modificarea tensiunii directe pe diodă. 4. eterminarea parametrilor I şi γ Pe caracterisicile statice obţinute la scară semilogaritmică, pentru fiecare din cele trei diode, se determină parametrii I şi γ procedând ca în fig. 1.2 şi folosind formula (1.3). 5. Punctul static de funcţionare Se va determina punctul static de funcţionare M (prin precizarea coordonatelor sale, U şi I ) pentru dioda de Si prin trei metode: grafoanalitic, experimental şi prin simulare. Metoda grafoanalitică presupune ca pe graficul corespunzător caracteristicii statice experimentale, obţinută la punctul 2, să trasăm şi dreapta statică de funcţionare dată de ecuaţia 1.4 (pentru E = 5V şi R = 82Ω). Punctul M se va găsi la intersecţia dintre dreapta statică de funcţionare cu caracteristica statică directă. Metoda experimentală presupune realizarea circuitului din fig. 1.3, cu E = 5V şi R=82Ω. Pentru realizarea acestui circuit este suficient ca în montajul precedent să comutam legătura de la borna 7 a generatorului de curent la borna 9 a rezistenţei R. Se măsoară mărimile caracteristice punctului static de funcţionare, U (cu voltmetru numeric montat în paralel cu dioda) şi I (cu un miliampermetru montat în serie cu dioda) şi se compară cu rezultatele obţinute prin metoda grafoanalitică. plicaţie simulată de laborator: --se deschide link-ul de mai jos; --se realizează circuitul virtual asemănător cu cel de la metoda experimentală ; --se porneşte aplicaţia şi se citesc valorile corespunzătoare Fisiere S\S-PRCTIC.EWB U şi I kt q 6. Rezistenţa dinamică Valoarea teoretică a rezistenţei dinamice se obţine cu ajutorul formulei 1.5 în care = 26mV, γ are valoarea dedusă la punctul 4 iar I are valoarea dată de punctul static de funcţionare. Valoarea experimentală a rezistenţei dinamice se obţine în punctul static de funcţionare stabilit la punctul anterior pe graficul de la metoda grafoanalitică. Se va determina, grafic, rezistenţa dinamică cu ajutorul relaţiei 1.6. Se vor compara cele două rezultate. 7. Caracteristica inversă 7. Cu montajul din fig. 1.8 se măsoară curentul invers prin diodele EFR 136 şi B 243 la tensiunile E = V, -5V, -1V, -2V. 7
plicaţie simulată de laborator: --se deschide link-ul de mai jos; --se realizează montajul din fig. 1.8 şi pentru valorile specificate ale tensiunii E se măsoară curentul invers prin dioda de Si aleasă; m E R Fisiere S\S-PRCTIC.EWB fig. 1.8 7B. Se determină caracteristica inversă a diodei stabilizatoare de tensiune cu montajul din fig. 1.9, pentru curenţi între.1 m şi 2 m. Pentru aceasta, generatorul de curent se alimenteaza cu 15V (la borna 3), bornele 7 şi 1 se conecteaza împreună printr-un miliampermetru iar tensiunea se măsoară cu un voltmetru numeric (bornele 2 şi 6 sunt şi ele cuplate). Se trasează caracteristica inversă a diodei stabilizatoare la scară liniară pe un grafic pe care se trasează, spre comparaţie şi caracteristica directă. În punctul static de funcţionare caracterizat prin I Z = 1m, se determină rezistenţa dinamică, măsurînd tensiunea pe diodă la curenţii: I Z = 15m. I Z = 5m şi m I Z VN fig. 1.9 plicaţie simulată de laborator: În fişierul deschis de link-ul de mai jos se realizează virtual montajul din fig. 1.9 şi se determină caracteristica inversă a diodei stabilizatoare aleasă ; se compară reyultatele cu cele experimentale. Fisiere S\S-PRCTIC.EWB IV. Temă de casă Referatul va conţine: schemele de principiu pentru ridicarea caracteristicilor directe şi inverse ale diodelor, tabelele cu rezultatele măsurătorilor experimentale şi simulate, graficele şi determinările făcute pe baza acestora, precum şi compararea cu rezultatele teoretice. 8
V. Simulări plicaţia simulată pentru punctul 1. Fisiere S\S-PCT1.EWB plicaţia simulată pentru punctul 2. Fisiere S\S-PCT2.EWB plicaţia simulată pentru punctul 5. Fisiere S\S-PCT5.EWB plicaţia simulată pentru punctul 7. Fisiere S\S-PCT7.EWB plicaţia simulată pentru punctul 7B. Fisiere S\S-PCT7B.EWB VI. nexă Valorile rezistenţelor de pe plăcuţa din laborator sunt: R 1 = 2KΩ; R 2 = 2Ω; R 3 = 2,2KΩ; R =,82KΩ; R =1KΩ; P = 5 KΩ. 9